銅銦鋁硒（CIAS）與CdS、ZnS薄膜光伏材料的研究

【摘要】：目前環(huán)境保護、節(jié)能減排已經(jīng)成為世界各國的基本國策。本論文選題為研究銅銦硒類太陽能電池吸收層和緩沖層材料等新型光伏材料對發(fā)展新材料、新能源,貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有重要意義。論文工作中用物理氣相沉積和化學(xué)水浴法分別制備了太陽能電池吸收層CIAS薄膜,緩沖層CdS和ZnS薄膜,運用微觀分析和表面分析手段(XRD、TEM、 SEM、EDS及XPS等)對薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)、成分以及光電性能進行檢測分析。 采用真空蒸發(fā)多層膜(VEMF)法將Cu、In、Al三種金屬分別蒸鍍到玻璃基底上形成CIA預(yù)制層。中頻孿生非平衡磁控濺射(FTUMS)技術(shù)用Cu靶和自行研制的In-Al復(fù)合靶制備CIA預(yù)制層。再采用固態(tài)源硒化法形成CIAS薄膜。研究了不同硒化工藝對CIAS薄膜的表面形貌、結(jié)構(gòu)、成分和光電性能的影響,以及Al相對含量對CIAS薄膜性能的影響。結(jié)果表明：常溫下制備的CIA預(yù)制層薄膜,結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)；硒化后形成CIAS化合物薄膜,主相為黃銅礦結(jié)構(gòu),也存在非晶或微晶結(jié)構(gòu),說明用A1代替In是可行的。檢測了其電阻率在半導(dǎo)體材料范圍內(nèi),Al含量可調(diào)節(jié)CIAS薄膜的禁帶寬度(1.60-1.95eV)。從成膜一般規(guī)律與制備過程探討了VEMF與IFTUMS兩種方法制備薄膜的成膜過程與機理。 采用化學(xué)水浴法(CBD)制備了CdS和ZnS薄膜。研究不同工藝條件對薄膜性能的影響,運用場發(fā)射TEM和XPS等檢測手段研究了退火前后厚度為100nm的CdS和ZnS薄膜的性能。結(jié)果表明：CdS和ZnS薄膜均為非晶或微晶且出現(xiàn)立方相晶粒；當(dāng)波長大于550nm時,其光透射率超過70%,帶隙接近理論值。TEM暗場像分別觀察到CdS薄膜AA和ZnS薄膜BB晶面取向的晶粒(尺寸20-100nm)。退火前CdS和ZnS薄膜的原子比約為1：1,退火后的CdS和ZnS薄膜都有S元素缺失。獲得制備CdS和ZnS薄膜的最佳工藝參數(shù)。進而從CBD法的成膜原理討論了CdS和ZnS薄膜的成膜過程。 【關(guān)鍵詞】：太陽能電池 真空蒸發(fā)多層膜法(VEMF) 中頻孿生非平衡磁控濺射法(IFTUMS) 化學(xué)水浴(CBD) CIAS薄膜 CdS薄膜 ZnS薄膜
【學(xué)位授予單位】：大連交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.42;TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-23
• 1.1 太陽能電池概述9-11
• 1.2 CIS類太陽能電池的發(fā)展11-15
• 1.2.1 CIS類太陽能電池的發(fā)展11-12
• 1.2.2 CIS類太陽能電池的構(gòu)成12-15
• 1.3 CIS類薄膜太陽能電池的吸收層與緩沖層材料15-21
• 1.3.1 CIS類薄膜材料15-19
• 1.3.2 CdS薄膜材料19-20
• 1.3.3 ZnS薄膜材料20-21
• 1.4 本論文研究的主要內(nèi)容及意義21-23
• 1.4.1 問題的提出21
• 1.4.2 本論文研究的主要內(nèi)容及意義21-23
• 第二章 材料制備及表征23-43
• 2.1 樣品制備23-38
• 2.1.1 VEMF法制備CIAS吸收層薄膜23-26
• 2.1.2 IFTUMS技術(shù)制備CIAS吸收層薄膜26-31
• 2.1.3 CBD法制備CdS緩沖層薄膜31-35
• 2.1.4 CBD法制備ZnS緩沖層薄膜35-37
• 2.1.5 場發(fā)射TEM薄膜樣品的制備37-38
• 2.2 樣品表征38-43
• 2.2.1 檢測薄膜厚度38-39
• 2.2.2 SEM薄膜表面形貌及成分分析39
• 2.2.3 薄膜物相分析39-40
• 2.2.4 TEM選區(qū)成像、衍射、衍襯及成分分析40
• 2.2.5 薄膜的XPS分析40-41
• 2.2.6 檢測薄膜的光電性能41-43
• 第三章 銅銦鋁硒(CIAS)薄膜研究結(jié)果及討論43-72
• 3.1 VEMF法及后硒化技術(shù)制備CIAS薄膜的研究43-52
• 3.1.1 CIAS薄膜硒化前后性能分析43-47
• 3.1.2 Al的相對含量對CIAS薄膜性能的影響47-51
• 小結(jié)51-52
• 3.2 IFTUMS技術(shù)制備CIAS薄膜性能的研究結(jié)果及分析52-62
• 3.2.1 薄膜硒化前(CIA)后(CIAS)性能分析52-58
• 3.2.2 Al的相對含量對CIAS薄膜性能的影響58-62
• 小結(jié)62
• 3.3 PVE法薄膜的成膜過程及機理討論62-71
• 3.3.1 VEMF法制備CIAS薄膜的過程及成膜機理討論62-68
• 3.3.3 IFTUMS技術(shù)制備CIAS薄膜的過程及成膜機理討論68-71
• 本章小結(jié)71-72
• 第四章 緩沖層CdS、ZnS薄膜性能的研究結(jié)果及討論72-122
• 4.1 CdS薄膜性能的研究結(jié)果及分析72-94
• 4.1.1 CdS薄膜TEM與XPS分析72-77
• 4.1.2 CdS薄膜工藝過程對性能的影響77-93
• 小結(jié)93-94
• 4.2 ZnS薄膜性能的研究結(jié)果與分析94-116
• 4.2.1 ZnS薄膜TEM與XPS分析94-100
• 4.2.2 ZnS薄膜工藝過程對性能的影響100-116
• 小結(jié)116
• 4.3 CBD法薄膜的成膜過程及機理討論116-120
• 4.3.1 化學(xué)水浴反應(yīng)原理116-118
• 4.3.2 CdS薄膜成膜過程及機理討論118-119
• 4.3.3 ZnS薄膜成膜過程及機理討論119-120
• 本章小結(jié)120-122
• 結(jié)論122-124
• 創(chuàng)新點摘要124-125
• 展望125-126
• 參考文獻126-131
• 致謝131-132
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文132-133

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